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Industrie 4.0 – wie die Digitalisierung unsere Welt verändert

© Composer - Fotolia.com

Angetrieben durch das Internet wachsen reale und virtuelle Welten zunehmend zusammen und verschmelzen miteinander. Das Web und neue Technologien prägen auch die produzierende Industrie. Experten rechnen sogar auf Basis von Cyber-Physical Systemen mit einer weiteren industriellen Revolution und prognostizieren eine komplett vernetzte Zukunft in der Industrie. Nach Dampfmaschine, Fließband und der Computerisierung von Arbeitsplätzen folgt nun die Einbindung innovativer Internettechnologien in die Fertigung von Produkten. Die Möglichkeiten, Potentiale und Chancen, die sich daraus für Industrie und Handel ergeben können, sind groß. Mit dem zukunftsträchtigen Trendthema gibt der Artikel Einblicke in die vernetzte Welt von morgen.

Einführung in das Thema Industrie 4.0: Begriffsdefinitionen

Vor dem Einstieg in das Thema werden zum besseren Verständnis einige wichtige Begriffe definiert.

„Internet der Dinge“ – was bedeutet das?
Der Begriff – geprägt von Kevin Ashton, der den Terminus erstmalig 1999 verwendete – steht für ein neues Zeitalter und steht in Beziehung mit Industrie 4.0: „Intelligente Gegenstände“ anstatt des persönlichen Computers als Gerät. „Internet der Dinge“ soll die Menschen in ihrer Tätigkeit unterstützen. In Wikipedia findet sich folgende Definition dazu: „Das Internet der Dinge bezeichnet die Verknüpfung eindeutig identifizierbarer physischer Objekte (things) mit einer virtuellen Repräsentation in einer Internet-ähnlichen Struktur.“ Dabei besteht die Verknüpfung nicht mehr nur aus menschlichen Teilnehmern, sondern auch aus Dingen. Kurzum: Der Begriff steht für die elektronische Vernetzung von Alltagsgegenständen.

Was ist „Industrie 4.0“?
Industrie 4.0 ist ein Zukunftsprojekt, das vor allem mit technologie-, wirtschafts- und gesellschaftspolitischen Standortperspektiven verbunden wird. Im Zusammenhang mit diesem Thema wird Cyber-Physical-Systemen (CPS) eine immer wichtigere Bedeutung zugeschrieben. CPS beschreibt die Verbindung von IKT-Systemen, die sich sowohl untereinander als auch mit dem Internet vernetzen. Produkte werden dabei selbst aktiv und wissen, wie sie bearbeitet werden müssen. Folglich kommt das „Internet der Dinge“ nun auch in die Fabrik, wie es bereits Henning Kargmann, Präsident der Deutschen Akademie für Technikwissenschaften, ausdrückte. Um Industrie 4.0 besser zu verstehen erscheint der Vergleich mit Web 2.0 sinnvoll, denn auch hier wurden aus passiven Nutzern aktive Teilnehmer, die mit dem System interagierten. Kargmann prophezeit eine ähnliche Entwicklung bei Industrie 4.0: Industrie 4.0 ist also eine Art Web 2.0 für Produkte: Aus einer zentralen Produktionssteuerung wird ein dezentraler, sich selbst organisierender Prozess. Die Folge: Autonome Maschinen – die Social Machine.

Ein Beispiel: Bauteile eines Autos können in Zukunft so ausgestattet werden, dass diese kontinuierlich Daten über ihren Zustand sammeln und mitteilen können, sobald ein Austausch nötig wird. Das Produkt agiert selbstständig und autonom und sendet eine Mitteilung an den Hersteller, dass ein Ersatz gefertigt werden muss. Neben der Bestellung werden die genauen Angaben zum Fahrzeugtyp weitergeleitet und Informationen gegeben, wohin das Bauteil verschickt werden muss. Anschließend wird der Auftrag in der Fabrik bearbeitet, Maschinen konfigurieren sich selbst, fertigen die passenden Teile an und versenden sie an den richtigen Ort. Der Termin ist dann natürlich bereits in der Werkstatt vereinbart – das hat bereits alles das Auto selbst erledigt.

Was bedeutet „Phygital“?

Der neue und innovative Begriff steht ebenfalls in enger Beziehung zu Industrie 4.0, weist viele inhaltliche Parallelen zur deutschen Hightech-Strategie auf und setzt sich aus den Wörtern „physical & digital“ zusammen. Damit wird vor allem die Konvergenz zwischen der Online- und Offline-Welt beschrieben. „Phygital“ ist ursprünglich ein aus Amerika stammender Marketingbegriff, der für einen neuen Trend steht. Im „Phygital Marketing“ gibt es bereits zahlreiche Beispiele, die das Aufeinandertreffen von Digital und Realität veranschaulichen. Der Trend „physical & digital“ befindet sich seit längerem auf dem Vormarsch und wird durch neue und innovative Technologien wie QR-Codes oder Augmented Reality vorangetrieben – ein Phänomen, das in unserem Alltag – dank mobiler Endgeräte – immer mehr zur Normalität wird.

Was sind „Phygitale Welten“?

Die nachfolgende Graphik veranschaulicht die bestehenden „Physisch-digitalen Welten“ und untergliedert diese in Business, Consumer und Home. Für die drei Welten werden verschiedene Infrastrukturen, Standards, etc. vorausgesetzt, die sich in ständiger Bewegung befinden. 

Mission Industrie 4.0

Die Bundesregierung hat ihre Hightech-Strategie vor allem auf die globalen Herausforderungen in den Bedarfsfeldern Klima / Energie, Gesundheit / Ernährung, Kommunikation, Mobilität, Sicherheit sowie auf die Förderung von Schlüsseltechnologien ausgelegt. Zur Umsetzung wurden zehn Zukunftsprojekte formuliert. Eines davon ist Industrie 4.0. Mittlerweile befinden wir uns an der Schwelle zur vierten industriellen Revolution. Mit Industrie 4.0 hat man sich in erster Linie das Ziel gesetzt, innovative Geschäftsmodelle zu erschließen und Prozesse in Produktion und Logistik zu optimieren.

Die „Themen Embedded Systems“ sowie „Internet der Dinge“ wurden von der Bundesregierung früh vorangetrieben. So haben bereits im Jahr 2009 Experten der Szene eine „National Roadmap Embedded Systems“ ausgearbeitet. In diesem Zusammenhang orientiert sich die Forschung beim Thema „Smart Factory“ in den Bereichen Produktion, Dienstleistung und Arbeitsgestaltung an Industrie 4.0. Auch das Thema „Internet der Dinge“ orientiert sich mit strategischen Förderungsmaßnahmen an Industrie 4.0. Ein weiteres Ziel ist es, sich mit „Smart Production“ auf die unternehmensübergreifende Produktionslogistik, die Mensch-Maschine-Interaktion und die Anwendung von 3D in der Industrie zu konzentrieren. Das gesamte Projekt wird von der Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft unterstützt. Im Rahmen der jeweils geltenden Finanzplanung sind für das zukunftsorientierte Projekt bis zu 200 Mio. Euro geplant.

Industrie 4.0 – intelligente Produkte und ihre Technologien

Entscheidend für Industrie 4.0 sind vor allem Technologien mit Sensorik und Aktorik mit eingebetteter Intelligenz. Nur so ist es für Produkte möglich ihre Umgebung wahr zu nehmen und mit dieser zu interagieren. Auch die drahtlose Kommunikation wie der Breitband-Mobilfunk oder RFID (Radio-Frequency Identification) spielen eine wichtige Rolle. Des Weiteren sind semantische Beschreibungen von Diensten und Fähigkeiten wichtig, die eine Interaktion von Produktstücken und Maschinen auf intelligente Art und Weise gewährleisten. Mit „Plug and Produce“ wird es ermöglicht, dass Maschinen ihr Umfeld automatisch erkennen und sich mit anderen Maschinen vernetzen und miteinander kommunizieren können. Dadurch gelingt der Austausch von Informationen über Aufträge, Auslastung und optimale Fertigungsparameter. 

„Sensoren, Prozessoren und Speicherchips kosten mitunter nur noch wenige Cent und sind heute robust genug, um sie in Maschinen, Werkzeuge und Bauteile aller Art einzubauen. Die Daten lassen sich per Internet oder Mobilfunk in Echtzeit austauschen, und selbst kleine Unternehmen können nun über das Internet in einem Maß auf Rechenpower, Programme und Speicherplatz zugreifen, wie das bisher nur Global Player konnten.“ (Frank Riemensperger, Vorsitzender der Geschäftsführung Accenture / Interview in der Wirtschafts-Woche vom 16.06.2013)

Die Vision von Industrie 4.0 ist eine sich selbst steuernde Produktion. Früher waren Maschinen und Fertigungsteile in einer Fabrik weitgehend autistisch – heute können sich Maschinen untereinander abstimmen, miteinander kommunizieren und ihr Wirken zielgerichtet lenken. 

So funktionieren digitale Fabriken

Der Grundbaustein für die Fabriken von morgen ist bereits gelegt. Bis die ersten vollständigen digitalen Fabriken funktionsfähig sind, werden jedoch noch ein paar Jahre vergehen müssen, denn die selbstständige Produktion ist eine langfristige Evolution. Im Folgenden sollen Einschätzungen nach Riemensperger (Quelle: Wirtschafts-Woche) aufgeführt werden, die das Funktionieren digitaler Fabriken näher beschreiben:

Intermaschinelle Kommunikation: Damit Maschinen untereinander kommunizieren können, erhalten Bauteile, Materialien und Transportkisten Minichips und Funkmodule, die einen Austausch von Informationen ermöglichen. Für das Jahr 2020 wird prognostiziert, dass weltweit 50 Milliarden Geräte Teil des Internets sein werden. Im Moment sind es rund 10 Milliarden Geräte, die an das Internet angebunden sind.

Digitale Produktion: Derzeit wird die Produktion zentral geplant. Künftig wird eine dezentrale Planung möglich sein: Wie in dem zu Beginn des Artikels angeführten Beispiel werden in Zukunft Autos, Stühle oder Handys ihre Fertigung selbst planen – und das genau den Kundenbedürfnissen entsprechend. Dabei rechnen Experten mit Produktivitätssprüngen von bis zu 50 Prozent.

Globale Fertigung: In Zukunft lösen kleine Produktionsstätten die großen ab. Experten erwarten dadurch Energie- und Ressourceneinsparungen von 20 bis 25 Prozent.

Recyclen einfach gemacht: Indem die Chips in den Produkten Bauteile und verwendete Rohstoffe abspeichern, können bei der Wiederverwertung Kosten in Milliardenhöhe eingespart werden.

Produkte zum selber Drucken: Zahnkronen, Flugzeugteile, Lampen, Souvenirs – 3D-Drucker ermöglichen die Fertigung von Produkten einfach und schnell. „Statt Fertiggütern reisen Konstruktionsdaten um den Globus. Die Mikrofabrik für jeden wird Realität“, so Riemensperger.

Der 3D-Druck kann überall angewendet werden. Diesbezüglich sollen zwei unterschiedliche Beispiele genannt werden: 

Portrait-Druck in 3D (Screenshot: Twinkind)

Die Hamburger Firma Twinkind fertigt 3D-Portraits, nachdem sie Personen rundum fotografiert hat. Die Figuren sind bis zu 35 Zentimeter groß und bilden Personen genau ab. Bei der Erstellung des 3D-Portraits kommt ein spezieller 3D-Scan zum Einsatz. Obwohl das Verfahren im Moment nicht gerade günstig ist – eine 20 cm große Figur kostet ca. 290 Euro – bekommt das Unternehmen Anfragen aus aller Welt.  

In der Medizin findet der 3D-Druck eine besonders wertvolle Anwendung: Forscher der Cornell University druckten vor kurzem eine künstliche Ohrmuschel. Bei dem Verfahren wird der Kopf des Patienten eingescannt. Danach wird das Ohr am Computer modelliert und geformt. Die daraus entstehenden Daten werden dann an den 3D-Drucker gesendet. Für das Verfahren entwickelten die Forscher eine spezielle Tinte, die lebende Zellen enthält. Im Vergleich zu Plastik-Implantaten nimmt der Körper die künstliche Variante viel besser an.

Autonome Entwicklung: Laufschuhe können beispielsweise individuelles Nutzerverhalten aufzeichnen. Mit den gewonnenen Daten ist eine Grundlage für optimierte und personalisierte Folgeprodukte geschaffen, Fehler können behoben und Produkte können für die eigenen Bedürfnisse spezialisiert werden.

Wie physische Produkte mit einem digitalen Nutzen angereichert werden können zeigt beispielsweise Nike mit seinen Sportartikeln. So wurde um die Serie Nike+ mit Hilfe von Sensoren eine komplette Servicewelt erschaffen. Durch die Sensoren in einem Schuh können Performance und Leistungen gemessen werden. Die gewonnenen Daten werden dann in einem Online-Profil gespeichert und ausgewertet. 

http://www.iphoneblog.de/2012/06/25/nike-running-zeichnet-jogging-strecken-mit/

Intelligente Rundum-Vernetzung: Dank integrierter Chips ist eine Verbindung aller Produkte mit dem Internet möglich. Vielleicht wird es so bald möglich sein dem Auto per Handy-App Instruktionen zu geben, selbst aus dem Parkhaus zum Restaurant vor zu fahren.

Fazit: Industrie 4.0 verändert die Welt

Laut Riemensperger ermöglicht das Zukunftsprojekt die Produktion maßgeschneiderter Waren zu erschwinglichen Preisen der Massenfertigung. Mit der intelligenten Selbststeuerung kann praktisch jedes Produkt wirtschaftlich nach Kundenbedürfnissen hergestellt werden. Somit stellt Industrie 4.0 die Weiterentwicklung der Massenproduktion dar.

Industrie 4.0 bedeutet nicht nur neue Chancen und Möglichkeiten – das Projekt ist auch eine Herausforderung an Produktionssysteme und Maschinen. Die Anpassungsfähigkeit spielt dabei eine besonders wichtige Rolle, da die zu fertigenden Produkte ständig wechseln können. Im Klartext bedeutet das, dass die Produktion in Zukunft individueller, flexibler und schneller werden wird. Mit einer prognostizierten vierten Revolution besteht die Möglichkeit, aktuellen wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Herausforderungen gegenüber zu treten. 

Autor

Dominik Haller, M.A.

Der studierte Kommunikationswissenschaftler arbeitet als Online Marketing Manager bei der TechDivision GmbH – einer der führenden Magento-, TYPO3- und E-Commerce-Agenturen im deutschsprachigen Raum. Darüber hinaus ist er als leitender Redakteur des eStrategy Magazins für Hintergrundrecherchen rund um das Thema E-Commerce, Online Marketing, E-Recht, etc. zuständig. Neben seiner beruflichen Tätigkeit bei der TechDivision GmbH engagiert er sich auch als Lehrbeauftragter an der Universität Salzburg.

www.techdivision.com
Email: d.haller@estrategy-magazin.de
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